超临界二氧化碳离心压气机流动特性研究

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1、中图分类号：V231.3论文编号：102870218-S120学科分类号：082502硕士学位论文超临界二氧化碳离心压气机流动特性研究研究生姓名王婉月学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向微型涡轮发动机技术指导教师傅鑫副研究员南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchontheFlowCharacteristi

2、csofSupercriticalCarbonDioxideCentrifugalCompressorAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyWangWanyueAdvisedbyAssociateProf.FuXinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得

3、的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要随着能源短缺问题和新能源的提出，当前社会各界对高性能动力循环的关注越来越多。以超临界二氧化碳（S-CO2）为工质的布雷顿循环可以获得高能量的输出且效

4、率高达50%。压气机作为S-CO2布雷顿循环的关键，其流动特性直接关系到整个系统的运行。本文采用CFD数值模拟的方法对采用S-CO2为介质的离心压气机进行了研究，分析了其的热功转换规律、性能和流场特征以及S-CO2叶轮内相变的产生和影响因素，下面阐述主要内容及其相关结论：1、分析了S-CO2的特殊物性并给出了S-CO2变物性模型的建立方法，成功利用商业CFD软件模拟S-CO2为介质的离心压气机，根据得到的数值模拟结果分析S-CO2压缩过程的热功转换规律，给出了适用于S-CO2的不同于常用规律的热力学公式，指出S-CO2的气体常

5、数R和g压缩因子Z较小，定压比热容c较大，从而导致S-CO2与理想气体相比更加容易压缩，且压缩p至相同的压比引起的温度增加减少，使得压缩过程的耗功也就越小，也就体现出了S-CO2介质与理想气体介质离心压气机相比的优越性。这也是S-CO2布雷顿循环的核心及关键优势。2、通过对离心压气机叶轮的流量-压比特性和流量-效率特性以及相似工作点的具体状态参数进行分析比较，得到S-CO2介质离心压气机和理想气体介质离心压气机的主要性能及特性的差异。在相似工作状态下，S-CO2为工质时叶轮能得到的压比为理想气体为介质时的2.7倍。S-CO2介

6、质叶轮的效率能达到0.888，高于理想气体介质叶轮0.799的效率。3、针对S-CO2介质和理想气体介质离心压气机叶轮的细节流场特征进行细致描述，得到S-CO2介质与理想气体离心压气机叶轮的流场特征的差异，并分析总结得到S-CO2介质离心压气机叶轮的流场特征以及以S-CO2为介质时给离心压气机叶轮流场带来的特殊性。4、通过对S-CO2介质叶轮内流场进行分析，总结得到了S-CO2介质叶轮内相变产生的位置和区域以及产生的原因。相变集中在主叶片前缘的吸力面，并且随着叶高相变的程度加剧。相变的原因可以总结为S-CO2物性的特殊性导致在

7、主叶片前缘形成复杂的涡结构从而导致工质温度下降至临界温度以下。5、探讨了叶轮内的流量、叶轮转速、进口总温、进口气流角和主叶片前缘叶型对相变的影响，随着流量和转速的增加，相变的范围增大，随着进口总温和进口气流角的增加，相变的范围减小。发现当给定进口总温为309K或者进口气流角给定40°时，相变的区域明显减小。关键词：布雷顿循环，超临界二氧化碳，离心压气机，变物性模型，热功转换，流场特征，相变I超临界二氧化碳离心压气机流动特性研究II南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTWiththeshortageofenergyandt

8、heproposalofnewenergy,moreandmoreattentionhasbeenpaidtothehighperformancedynamiccycle.TheBraytoncyclewithsupercriticalcarbondioxide(S-CO2)